Los metales pesados y la agricultura sostenible en el cultivo del tomate (Solanum lycopersicon L.) (página 2)

Cobb et al., (2000) estudiaron el desarrollo de plantas cultivadas en desechos de minas que contenían plomo, cadmium, arsénico y zinc. Las lechugas tuvieron 100% de sobrevivencia comparada con 0% en el tomate. La concentración de los metales se determinó en los tejidos de las plantas para analizar la toma y distribución de los metales en las partes comestibles de las plantas. El tomate y frijol acumularon los cuatro metales fundamentalmente en las raíces, solo una mínima cantidad se trasloco a los frutos. Las hojas de lechuga y las raíces del rábano acumularon significativamente más metales que el fruto del tomate y el frijol. Esta diferencia en la acumulación de las distintas partes de estas plantas sugiere que el consumo de la lechuga y del rábano cultivadas en desechos de minas posee más riesgo para la salud humana y para la vida salvaje que el consumo de tomates y frijoles cultivados en la misma área (Cobb et al., 2000).

Oancea et al., (2005) estudiaron los efectos del nitrato de plomo en plantas de ají (Capsicum annum L.) obteniendo como resultado un cambio en las actividades bioquímicas así como de las funciones en la planta. El nitrato de Pb incrementa el contenido de pigmentos fotosintéticos pero no se observaron modificaciones en la altura o biomasa de las plantas (Oancea et al., 2005).

El efecto del nitrato de plomo en plantas trae como resultado un cambio en la actividad bioquímica, así como en su funcionamiento. El nitrato de plomo aumenta el contenido de pigmentos fotosintéticos pero no modifica la altura de las plantas ni su biomasa (Oancea et al., 2005).

De manera general podemos afirmar que el plomo es un elemento tóxico que tiene características acumulativas. La mayor parte del Pb que se encuentra en el medioambiente proviene de la atmosfera, además de que existen industrias que producen aguas de desecho que contienen concentraciones elevadas de este elemento. Los suelos son el mayor reservorio de Pb desde donde este es absorbido y bioacumularse por plantas y animales que finalmente pueden ser consumidos por los seres humanos (Horsfall y Spiff, 2005).

Con el creciente aumento de la contaminación ambiental de la población mundial se hace necesario estudiar a niveles enzimáticos y moleculares que ocurre en los cultivos cuando se encuentran en situaciones de estrés ya sea por salinidad, sequía o por metales pesados con el objetivo de determinar donde se pueden o no sembrar.

Los metales pesados en los cultivos provocan diversos daños como perdida de rendimientos, afectan el metabolismo de las plantas e inducen al estrés oxidativo (acumulación de aniones reactivos de oxígeno como las especies de oxigeno reactivo-ROS) [(Przedpelska y Wierzbicka (2007), Stobrawa y Lorenc- Plucinska (2007) y Grata˜o et al., (2008)], (Fig. 2).

Figura 2: Fuentes de contaminación de los metales pesados en los suelos.

Bajo condiciones normales de desarrollo, la producción de ROS (especies de oxigeno reactivo, reactive oxygen species), ocurre en las células, sin embargo, condiciones ambientales adversas que interrumpen la homeostasis celular puede causar daños oxidativos a proteínas, ADN y peroxidación de lípidos, lo que causa serios daños a las membranas celulares (Pitzschke et al., 2006). Una vez formadas, ROS deben ser detoxificadas tan eficientemente como sea posible para minimizar estos daños. Los mecanismos de detoxificación en plantas son complejos e incluyen un conjunto de mecanismos enzimáticos y no enzimáticos capaces de prevenir la cascada de oxidaciones incontroladas (Pitzschke et al., 2006). Estos mecanismos incluyen la acción de algunas enzimas claves, como las superóxido dismutasas (SOD) las que reaccionan con los radicales superóxido para convertirlos en H2O2. Seguidamente el H2O2 es convertido en H2O por la ascorbato peroxidasa, catalasa y glutatión peroxidasa conjuntamente con otras peroxidasas (Passardi et al., 2007; Hassan et al., 2008). Existen algunas otras enzimas y proteínas menos conocidas que también participan en esta detoxificación como las proteínas tumorales controladas durante la traducción (TCTP) y la isoflavon reductasa (IFR) (Schmidt et al., 2007; Hernández et al., 2008).

• Superóxido dismutasa (SOD)

Las superóxido dismutasas (SODs) son enzimas que catalizan el pasaje del anión de superóxido en peróxido de oxígeno y de hidrógeno. Las enzimas SODs están presentes en casi todas las células aerobias y en el líquido extracelular. Las enzimas SODs contienen iones metálicos como cofactores que, dependiendo de la isoenzima, pueden ser cobre, zinc, manganeso o hierro (Alscher et al., 2002).

El Pb puede mediante la acumulación de ROS realzar la actividad de enzimas antioxidantes (SOD) en algunas especies de plantas (Verma y Dubey, 2003).

Algunos estudios subcelulares se han realizado en muchas especies de plantas (Bannister et al., 1987) y de forma general las plantas poseen una matriz mitocondrial que tiene MnSOD y una citosolica Cu/ZnSOD, con FeSOD y/o Cu/ZnSOD presente en el estroma del cloroplasto. Todas las enzimas parecen ser codificadas por el núcleo y cuando es necesario son transportadas hacia su localización en los orgánelos a través de la secuencia terminal NH2 (Bowler et al., 1989, y 1991). El número de isoenzimas de cada tipo de SOD varía grandemente de planta a planta, siendo la más abundante la SOD del cloroplasto en las hojas verdes, mientras que en semillas germinadas y en materiales etiolados predomina la SOD citoplasmática y la mitocondrial (Sandalio et al., 1987 y Kanematsu y Asada, 1990). Esta distribución podría deberse a cambios que ocurren en sitios subcelulares, por ejemplo en los procesos de reacciones fotosintéticas aumenta el metabolismo celular lo que necesita un incremento de la SOD del cloroplasto. Durante la maduración la actividad de la SOD cambia un poco, sin embargo, se ha observado que la expresión de algunas enzimas está determinada por la disponibilidad del metal que actúa como cofactor (del Rio et al., 1991). A medida que aumenta la senescencia de las plantas, la actividad de la SOD disminuye conjuntamente con las catalasas y glutatión reductasa (Pauls y Thompson, 1984, Polle et al., 1989). Los procesos que incrementan la formación de radicales oxigeno e inician la ruptura de lípidos, como las enzimas lipoxigenasas, son estimuladas en tejidos vegetales en senescencia (Lynch y Thompson, 1984). Todas estas observaciones son consecuentes con el planteamiento de que los radicales libres juegan un importante papel en la senescencia (Thompson et al., 1983 y McKersie et al., 1988,). La regulación de los genes SOD también son muy sensibles a los estreses del medioambiente, probablemente como consecuencia del aumento en la formación de radicales oxigeno.

Las SODs representan la primera línea de defensa, debido a su función en la eliminación de O2-, mientras que la glutatión peroxidasa (GPX), ascorbato peroxidasa (APX) y catalasas (CAT) son las enzimas que mayoritariamente eliminan el H2O2 en las plantas. Un balance en la actividad de esta enzimas debe de ser mantenido siempre en la célula con el objetivo de mantener los niveles adecuados de O2- y H2O2 (Mittler, 2002).

Se observó un estimulo en la actividad de las enzimas antioxidantes SOD, GPX, APX cuando son expuestas a metales como el Pb, Cd y Al (Shah et al. 2001, Sharma y Dubey, 2007, Qureshi et al. 2007).

En muchas especies de plantas estudiadas, se asocia el elevado nivel constitutivo de la expresión de las enzimas antioxidantes SOD, peroxidasa y CAT con la tolerancia a los metales. En la planta hiperacumuladora de Zn/Cd Arabidopsis halleri un microarreglo de ADNc (AND complementario) reveló que la enzima APX y las peroxidasas tenían niveles elevados comparadas con planats no acumuladoras (Chiang et al., 2006).

• Proteína Tumoral Controlada durante la Traducción (TCTP)

La TCTP es indistintamente encontrada en todas los organismos eucariotas. Su expresión está asociada con muchos tumores (Bommer y Thiele 2004; Hinojosa-Moya et al. 2008). Según Arcuri et al. (2005) son proteínas altamente conservadas que participan en el desarrollo.

Liu et al. (2005) demostraron que las TCTP modulan la actividad de la proteína Mc1-1 la cual es importante en los animales por su función antiapoptóptica. La TCTP animal está presente en muchos procesos celulares como la multiplicación, el crecimiento, las transformaciones malignas, la protección frente a varias formas de estrés, entre otros (Bommer y Thiele 2004; Susini et al., 2008). En plantas la expresión de la TCTP del ARNm está correlacionada con la mitosis en las raíces y es gradualmente inducida en períodos de oscuridad (Sage-Ono et al., 1998). La TCTP de las plantas también interviene en el movimiento a larga distancia de las proteínas del floema y en el crecimiento del tubo polínico (Aoki et al., 2005 y Berkowitz et al., 2008).

En soya (G. max) Ermolayev et al. (2003), encontraron dos genes homólogos con la TCTP, los cuales son regulados bajo condiciones de estrés de sequía en las raíces. La homología encontrada (86,7 %) indica una alta conservación de secuencia y sugiere funciones esenciales. Así mismo, según Pavy et al. (2005) esta proteína se relaciona con el mantenimiento de la homeostasis del calcio (Ca2+) en las células de plantas estresadas puesto que la concentración esencial de este elemento en diferentes compartimientos celulares juega una función primordial en la disminución de los niveles de aluminio y ellas se unen a las tubulinas en el citoesqueleto.

La relación de las TCTP con el Ca2+ en las plantas podría influir en la calidad de la hoja, pues su carencia, según Taiz y Zeiger (2005), provoca clorosis y malformaciones en los bordes de las hojas jóvenes; asimismo, si no hay suficiente Ca2+ en las zonas meristemáticas y apicales de tallos, hojas y raíces éstas se afectan y pueden incluso morir.

En diversos sistemas biológicos, se comprobó que la TCTP es altamente regulada en respuesta a un amplio rango de señales extracelulares y condiciones celulares. Normalmente se informan como inductores rápidos de la síntesis de TCTP señales de desarrollo (Bommer et al., 2002) y citoquininas (Teshima et al., 1998).

Numerosas condiciones de estreses, tales como, choques térmicos, metales pesados, estrés de calcio (Xu et al., 1999) o señales citotóxicas (Oikawa et al., 2002) provocan regulaciones de la TCTP arriba y abajo (Bommer et al., 2002).

Toda esta información nos sugiere que la TCTP no solo regula en los organismos el crecimiento, sino también muestra funciones específicas en las plantas. Sin embargo, los mecanismos bioquímicos y moleculares del funcionamiento de la esta proteína no están todavía bien caracterizados (Brioudesa et al, 2010).

• Isoflavon Reductasa (IFR)

Los flavonoides son un grupo mayoritario de metabolitos fenólicos secundarios involucrados en varios procesos, como la polinización, alelopatía, interacción planta-patógeno y respuesta a estreses ambientales. También se plantea que estos compuestos actúan como antioxidantes, protegiendo a las células del estrés oxidativo. El exceso de metales pesados incrementa los niveles de ROS las que pueden provocar daños serios a las células, sin embargo, una de las respuestas de los metales que inducen estrés es la activación de elementos del sistema antioxidante. En los últimos años se demostró que los genes biosintéticos de los flavonoides son inducidos bajo condiciones de estrés, incluyendo los metales pesados. Esto sugiere que los flavonoides tienen una función antioxidante en plantas, sin embargo esta función aún materia de debate (Hernández et al 2008).

Las IFR son enzimas citosólicas, NAD (P)H- dependiente oxidoreductasas encontradas en leguminosas que participan en la producción de moléculas relacionadas con la defensa, como las fitoalexinas (Paiva et al., 1991). Estas enzimas pertenecen a una gran familia de proteínas (Shoji et al., 2002). Las funciones de muchas de estas proteínas en plantas no leguminosas no están esclarecidas aún, como por ejemplo las del maíz inducido por el sulfuro (Petrucco et al., 1996), el estrés oxidativo inducido por los genes Pe de Arabidopsis (Babiychuk et al., 1995).

Aunque los flavonoides se informan fundamentalmente en leguminosas (Dixon y Steele, 1999), IFR pertenece a una gran familia de proteínas que se han aislado de diversas plantas, sin embargo la función bioquímica de estas proteínas homologas de la IFR hasta el año 2009 aún no se conocían (Zulak et al., 2009). La mayoría de los estudios sobre isoflavones y flavones son sobre sus funciones durante las interacciones planta-patógeno. Se conoce que ellos regulan la expresión durante el ataque de patógenos, el desarrollo de los patógenos, bajos niveles de fosfatos, etc (Subramanian et al. 2007; Pregelj et al., 2011). Las investigaciones sobre estos compuestos en la interacción planta-metales pesados son aún pobres.

Existen estudios en diferentes plantas como Arabidopsis donde elevadas concentraciones de metales pesados (50 y 100 mg. Kg-1) han inducido la expresión de la IFR (Keilig and Ludwig-Müller, 2009; Hradilova et al., 2010). Pawlak-Sprada y Deckert (2010) investigaron el efecto de dos metales pesados cadmium (15 mg.L-1) y plomo (150 mg.L-1) en semilleros de Lupinus luteus L. cv. Juno encontrando que la cantidad diferentes isoflavonoides fue inducida en un 15% en las plantas tratadas con cadmium mientras que en las tratadas con plomo la estimulación de estos metabolitos fue del 46% lo que demuestra la relación de estos compuestos con el estrés producido por los metales pesados.

Se han realizado algunas investigaciones en IFR provenientes del metabolismo de los flavonoides donde esta enzima fue mayor en las raíces de Thlaspi caerulescens además de encontrase flavonoides provenientes del exudado de raíces de estas plantas al crecer en suelos contaminados con metales pesados lo que sugirió que estas enzimas tienen una función en procesos de adaptación en estos suelos con poca cantidad de nutrientes minerales solubles como agentes quelantes para (Quartacci et al., 2009, Tuomainen et al., 2010).

Conclusión

Conocimientos moleculares y celulares de una gran cantidad de procesos asociados con la tolerancia a los metales pesados son necesarios para mejorar los cultivos. La existencia de plantas tolerantes a estos metales de forma natural (hiperacumuladoras), proporcionan herramientas útiles para estas investigaciones. Todo esto combinado con nuevas informaciones proveniente de análisis genético-moleculares, genómicos, proteómicos y metabolómicos de mutantes abrirá nuevas posibilidades para el estudio de la tolerancia de las plantas a los metales pesados lo que contribuirá de forma relevante a descontamiar los suelos y a mejorar nuestro medio ambiente.

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Autor:

Ing. Anabel Ibarra Mederos,

Dr. C. Daniel Cabezas Montero,

Dra. C. Mayra Echemendia Pérez

Dra. C. Sandra Pérez Álvarez.

Universidad Agraria de la Habana "Fructuoso Rodríguez Pérez", Facultad de Agronomía, Cuba.